无线传感器网络课件

第五章第五章 无线传感器网络无线传感器网络 n世界上许多国家已将目光转向信息技术的前端世界上许多国家已将目光转向信息技术的前端信息获取与处理的研究和发展上，提出下一代信息获取与处理的研究和发展上，提出下一代因特网和智能环境的建设，以强化信息获取和智因特网和智能环境的建设，以强化信息获取和智能信息处理。能信息处理。n无线传感器网络无线传感器网络集传感、无线通信与网络、嵌入集传感、无线通信与网络、嵌入式计算、微机电系统、分布式信息处理与数据融式计算、微机电系统、分布式信息处理与数据融合等技术于一体合等技术于一体。1第五章 无线传感器网络 世界上许多国家已将目光转向信息技术的1 传感器网络体系结构传感器网络体系结构 n传感器网络系统传感器网络系统一般包括传感器结点、汇聚结一般包括传感器结点、汇聚结点点(或称基站或称基站)和管理结点，如图所示和管理结点，如图所示。21 传感器网络体系结构 传感器网络系统一般包括传感器结点、2 2 传感器结点体系结构传感器结点体系结构 n传感器结点一般由传感器结点一般由传感器模块传感器模块、处理器模块处理器模块、无无线通信模块线通信模块和和能量供应模块能量供应模块四部分组成，如图所四部分组成，如图所示。示。32 传感器结点体系结构 传感器结点一般由传感器模块、处理器3 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点 n（1 1）无线传感器网络）无线传感器网络具有大量而密集的结点分布特具有大量而密集的结点分布特征，且网络规模可变化，不固定；征，且网络规模可变化，不固定；n（2 2）一般分布于一般分布于恶劣劣环境、境、无人区域或无人区域或敌方方阵地，地，无人参与无人参与值守，守，传感器感器结点的物理安全不能保点的物理安全不能保证。n（3）网网络络拓拓扑扑变变化化频频繁繁。由由于于结结点点能能量量有有限限，结结点点易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快速。易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快速。n（4 4）网网络络结结点点间间自自组组织织通通信信。传传感感器器结结点点是是自自主主的的、自自治治的的，结结点点之之间间的的通通信信方方式式不不同同于于传传统统无无线线网网络络的的中心控制通信模式。中心控制通信模式。43 无线传感器网络的特点（1）无线传感器网络具有大量而密3 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点n（5 5）以数据为中心。）以数据为中心。在无线传感器网络中，结点在无线传感器网络中，结点没有没有IPIP地址，是以数据为中心的网络，它关心的是地址，是以数据为中心的网络，它关心的是数据本身，如事件、时间和地点，而并不关注数据数据本身，如事件、时间和地点，而并不关注数据是由哪个结点采集。是由哪个结点采集。n（6 6）与应用相关。）与应用相关。无线传感器网络系统与应用密无线传感器网络系统与应用密切相关，不同的应用背景，无线传感器网络的设计切相关，不同的应用背景，无线传感器网络的设计具有差别，甚至完全不同。具有差别，甚至完全不同。n（7 7）网）网络具具备容容错能力。能力。传感器感器结点所点所处的的环境境通常是通常是恶劣的劣的(如噪声多、如噪声多、风吹雨淋吹雨淋)，导致致结点易点易受干受干扰，易出，易出错。这要求无要求无线传感器网感器网络应具有容具有容错能力才会有能力才会有应用前景。用前景。53 无线传感器网络的特点（5）以数据为中心。在无线传感器网3 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点n（8 8）资源有限。）资源有限。无线传感器网络的资源有限无线传感器网络的资源有限主要表现在以下几个方面。主要表现在以下几个方面。n1)1)电源能量受限源能量受限 n2)2)计算能力有限算能力有限 n3)3)通信能力有限通信能力有限 n4)4)存存储空空间有限有限 63 无线传感器网络的特点（8）资源有限。无线传感器网络的资4 无线传感器网络信息获取关键技无线传感器网络信息获取关键技术术 n无线传感器网络无线传感器网络因其体积小、成本低以及强大的因其体积小、成本低以及强大的信息获取功能使其在环境数据采集、安全监控以信息获取功能使其在环境数据采集、安全监控以及目标跟踪等方面有广阔的应用空间。及目标跟踪等方面有广阔的应用空间。n无无线传感器网感器网络应用系用系统的核心的核心在于在于获取物理世取物理世界有价界有价值的信息。的信息。n包括包括数据的收集、数据管理、数据通信数据的收集、数据管理、数据通信以及以及数据数据的的处理理，并最，并最终向用向用户提供所需要的信息。提供所需要的信息。74 无线传感器网络信息获取关键技术 无线传感器网络因其体积(1)(1)信息获取体系结构信息获取体系结构 n无线传感器网络信息获取体系结构分为无线传感器网络信息获取体系结构分为物理层物理层、功能层功能层及及应用层应用层，每个层次又分为不同的阶段，每个层次又分为不同的阶段，如图所示。如图所示。8(1)信息获取体系结构 无线传感器网络信息获取体系结构分为物1)1)数据获取数据获取 n无线传感器网络应用系统无线传感器网络应用系统所需的数据需要从物理所需的数据需要从物理世界中获取。世界中获取。n这些获取的数据可能是海量的流数据，数据之间这些获取的数据可能是海量的流数据，数据之间存在存在时空关联性时空关联性，并且，伴有，并且，伴有噪声信号噪声信号、数据丢数据丢失和数据错误失和数据错误等。等。n主要任主要任务就是就是决定在决定在什么什么时间、什么地点、以什、什么地点、以什么么频率来率来进行数据采行数据采样。91)数据获取 无线传感器网络应用系统所需的数据需要从物理世界2)2)数据通信数据通信 n数据通信阶段数据通信阶段就是要采用就是要采用简单、高效的数据路简单、高效的数据路由算法由算法和和相应的协议相应的协议来将获取的物理环境的数来将获取的物理环境的数据据及时、准确地及时、准确地传送给传送给用户用户。102)数据通信 数据通信阶段就是要采用简单、高效的数据路由算法3)数据处理数据处理 n数据处理数据处理就是指如何就是指如何简单、有效地简单、有效地表达用户的表达用户的信息需求；信息需求；n如何根据如何根据这些需求来这些需求来处理相关的数据处理相关的数据以获得以获得用用户所需的信息户所需的信息等。等。113)数据处理 数据处理就是指如何简单、有效地表达用户的信息需(2)信息获取的计算模式信息获取的计算模式n计算模式计算模式基本上有基本上有2种：种：集中式和分布式集中式和分布式。n集中式计算集中式计算是指将各个结点所获取的数据传送到是指将各个结点所获取的数据传送到一个集中的位置进行相应的处理，一个集中的位置进行相应的处理，n集中式计算模式集中式计算模式适合于网络规模较小、获取的数适合于网络规模较小、获取的数据量较少的情形；据量较少的情形；n分布式计算分布式计算是指各个结点在获取信息的同时，具是指各个结点在获取信息的同时，具有对信息的初步处理能力。有对信息的初步处理能力。n分布式包含分布式包含分布式对象系统、分布式数据库及移分布式对象系统、分布式数据库及移动代理动代理等。等。12(2)信息获取的计算模式计算模式基本上有2种：集中式和分布式1)分布式对象系统分布式对象系统 n分布式对象系统分布式对象系统就是将无线传感器网络中的结点看做就是将无线传感器网络中的结点看做大规模的分布式对象。大规模的分布式对象。nSINA是一种较有影响的分布式对象信息处理方法。是一种较有影响的分布式对象信息处理方法。n每个结点运行每个结点运行SINA执行环境执行环境(SEE)，作为结点的抽，作为结点的抽象对象，它是象对象，它是SINA体系结构的核心。体系结构的核心。nSEE提供提供一系列配置和通信原语来加强结点对象之间一系列配置和通信原语来加强结点对象之间的可扩展性、鲁棒性以及电源有效的组织和交互。的可扩展性、鲁棒性以及电源有效的组织和交互。n系统采用统一语言来查询和调度整个无线传感器网络系统采用统一语言来查询和调度整个无线传感器网络系统，即系统，即传感器查询和调度语言传感器查询和调度语言。131)分布式对象系统 分布式对象系统就是将无线传感器网络中的结2)分布式数据库分布式数据库 n由于结点的分布性由于结点的分布性，可以采用分布式数据库系，可以采用分布式数据库系统的数据存储以及查询技术来进行无线传感器统的数据存储以及查询技术来进行无线传感器网络数据的存储和信息处理。网络数据的存储和信息处理。n基本思想是：基本思想是：用户提交一个用户查询，查询优用户提交一个用户查询，查询优化器将这种查询需求进行分解，形成适合无线化器将这种查询需求进行分解，形成适合无线传感器网络中各个结点进行网络化处理的有效传感器网络中各个结点进行网络化处理的有效的查询计划，从而节省电源能量，提高系统的的查询计划，从而节省电源能量，提高系统的生命周期。生命周期。142)分布式数据库 由于结点的分布性，可以采用分布式数据库系统3)移动代理移动代理 n在传统的分布式在传统的分布式无线传感器网络中，数据是由单无线传感器网络中，数据是由单个的结点搜集，然后，将其传送给上一级的处理个的结点搜集，然后，将其传送给上一级的处理单元来进行处理。单元来进行处理。n这样这样，网络中将会有大量的数据在移动，从而会，网络中将会有大量的数据在移动，从而会消耗大量的电源。消耗大量的电源。n移动代理是移动代理是将数据驻留在获取它的结点上，而让将数据驻留在获取它的结点上，而让代表用户信息需求的一段代码代表用户信息需求的一段代码(代理、计算引擎代理、计算引擎)在网络中传播来处理相应的数据，在网络中传播来处理相应的数据，并将最终的信并将最终的信息息返回给用户，这样就可以减少网络的带宽使用。返回给用户，这样就可以减少网络的带宽使用。153)移动代理 在传统的分布式无线传感器网络中，数据是由单个的（3）网络通信的关键问题）网络通信的关键问题 n无线传感器网络无线传感器网络资源有限的一个突出方面表现在资源有限的一个突出方面表现在电源和通信带宽上。电源和通信带宽上。n无线传感器网络通信协议，主要有三类：无线传感器网络通信协议，主要有三类：n扁平路由、层次路由以及基于位置的路由扁平路由、层次路由以及基于位置的路由。n扁平路由扁平路由是指网络中各个结点具有相同的作用；是指网络中各个结点具有相同的作用；n层次路由层次路由是指网络中的结点承担不同的作用，呈是指网络中的结点承担不同的作用，呈现出一定的层次结构；现出一定的层次结构；n基于位置的路由基于位置的路由则与传感器结点的位置相关联，则与传感器结点的位置相关联，具有位置敏感性。具有位置敏感性。16（3）网络通信的关键问题 无线传感器网络资源有限的一个突出方1)面向应用和以数据为中心面向应用和以数据为中心n无线传感器网络中的数据通信是以数据为中心的，无线传感器网络中的数据通信是以数据为中心的，而且是面向应用的。而且是面向应用的。n由于无线传感器网络系统具有大量的结点，由于无线传感器网络系统具有大量的结点，很难很难给这些结点分配全局的标识符给这些结点分配全局的标识符，一个可行的方案，一个可行的方案就是利用结点产生的数据来标识结点，这就是以就是利用结点产生的数据来标识结点，这就是以数据为中心的思想。数据为中心的思想。n所谓以数据为中心所谓以数据为中心，就是相对于以地址为中心的，就是相对于以地址为中心的方法而言，它方法而言，它更多地关心通信的数据内容更多地关心通信的数据内容，而不而不是数据的来源是数据的来源；关心数据融合过滤后得到的信息，；关心数据融合过滤后得到的信息，而不是高冗余的原始数据。而不是高冗余的原始数据。171)面向应用和以数据为中心无线传感器网络中的数据通信是以数据n为了减少在网络中的数据传输量、延长系统的为了减少在网络中的数据传输量、延长系统的生命周期，必须在生命周期，必须在数据通信的过程中进行面向数据通信的过程中进行面向应用的数据处理应用的数据处理。n这种数据处理必须这种数据处理必须根据系统用户的应用需求根据系统用户的应用需求才才能切实有效地进行，因为能切实有效地进行，因为必须根据用户的信息必须根据用户的信息需求才能决定需求才能决定哪些原始数据有用哪些原始数据有用，哪些没用哪些没用。n也就是说，无线传感器网络的通信方式是面向也就是说，无线传感器网络的通信方式是面向应用的，应用的，必须在数据通信的同时考虑用户的需必须在数据通信的同时考虑用户的需求，求，在数据路由的同时在数据路由的同时进行面向应用的数据处进行面向应用的数据处理理，这与传统的通信方式是不同的。，这与传统的通信方式是不同的。18为了减少在网络中的数据传输量、延长系统的生命周期，必须在数据2)局部计算局部计算n由于无线传感器网络结点由于无线传感器网络结点数量的大量性以及电源、数量的大量性以及电源、计算能力和存储能力的有限性，计算能力和存储能力的有限性，不可能在通信机不可能在通信机制中存在像因特网那样的全局路由信息及全局的制中存在像因特网那样的全局路由信息及全局的预发路由。预发路由。n这样，在无线传感器网络中，只能这样，在无线传感器网络中，只能采用局部计算采用局部计算模式来进行数据的通信，模式来进行数据的通信，即通信机制即通信机制不需要知道不需要知道整个网络的结构整个网络的结构，只根据，只根据当前结点周围局部结点当前结点周围局部结点的属性的属性来决定数据的路由路径。来决定数据的路由路径。n由于由于局部计算只关心某一范围内结点的信息局部计算只关心某一范围内结点的信息，而，而不关心整个网络的信息，所以，不关心整个网络的信息，所以，系统中结点的加系统中结点的加入或离开不会对系统的性能造成大的影响，入或离开不会对系统的性能造成大的影响，从而从而提高系统的可扩展性。提高系统的可扩展性。192)局部计算由于无线传感器网络结点数量的大量性以及电源、计算3)结点定位结点定位n在基于位置的路由算法中，需要知道结点的在基于位置的路由算法中，需要知道结点的物理位置，这就物理位置，这就需要结点定位技术。需要结点定位技术。n结点的定位主要有结点的定位主要有2种方法：种方法：一种是绝对定一种是绝对定位；另外一种是相对定位。位；另外一种是相对定位。n绝对定位绝对定位就是通过某种手段来确定结点的绝就是通过某种手段来确定结点的绝对物理位置。对物理位置。n相对定位相对定位就是通过结点之间的相对距离来确就是通过结点之间的相对距离来确定结点的物理位置。定结点的物理位置。203)结点定位在基于位置的路由算法中，需要知道结点的物理位置，3)结点定位（续）结点定位（续）n在无线传感器网络系统中，在无线传感器网络系统中，基础网络通信基础网络通信设施设施(基站或者簇头结点基站或者簇头结点)的位置是已知的，的位置是已知的，将系统中的所有其他结点与其相邻的基础将系统中的所有其他结点与其相邻的基础设施结点比较来确定结点的设施结点比较来确定结点的绝对位置。绝对位置。n有了局部计算机制以及结点的有了局部计算机制以及结点的物理位置，物理位置，就可以利用结点的物理位置来进行就可以利用结点的物理位置来进行数据路数据路由。由。213)结点定位（续）在无线传感器网络系统中，基础网络通信设施(4）时钟同步）时钟同步 n时钟同步时钟同步是任何分布式系统的基本需求。是任何分布式系统的基本需求。n在无线传感器网络系统中，在无线传感器网络系统中，数据集成、数据集成、TDMA介质访问、调度等介质访问、调度等，都需要时钟同步的支持。，都需要时钟同步的支持。n一般来讲一般来讲，时钟同步的精度要求越高，所消耗，时钟同步的精度要求越高，所消耗的资源的资源(计算、通信以及电源等计算、通信以及电源等)就越多；就越多；n而无线传感器网络受到严重的资源约束，因此，而无线传感器网络受到严重的资源约束，因此，不可能提供很高精度的时钟同步功能。不可能提供很高精度的时钟同步功能。224）时钟同步 时钟同步是任何分布式系统的基本需求。225.无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用n（1）军事应用）军事应用n无线传感器网络起源于军事应用，由于其特有的无需架无线传感器网络起源于军事应用，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是战场无设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。的重要技术手段。n如可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉如可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器结点，通过这些传感器结点实时监测周围环价的传感器结点，通过这些传感器结点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地。回基地。n这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐秘的方式监控敌也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐秘的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。方阵地和敌军活动情况。235.无线传感器网络的应用（1）军事应用23（2）紧急和临时场合）紧急和临时场合n在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，对于可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。n边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。用无线传感器网络来进行信号采集与处理。n无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。合通信的最佳选择。24（2）紧急和临时场合在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他（3）大型设备的监控）大型设备的监控n在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。n在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一种可选的监控手段。器网络就可以作为一种可选的监控手段。25（3）大型设备的监控在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技